Nghiên cứu, phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện.DOC

Nghiên cứu, phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, ngày càng có nhiều ứng dụng mới được đưa vào cuộc sống nhằm đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao của thực tế Tuy lí thuyết về hiện tượng áp điện đã ra đời từ rất lâu, nhưng tới tận những thập kỉ 70 - 80 của thể kỉ XX, những ứng dụng trong lĩnh vực điện tử công suất của 1 thiết bị làm việc dựa trên hiện tượng áp điện – biến áp áp điện mới được phát triển Ngay sau đó, những sản phẩm ứng dụng đã được thương phẩm và bán rộng rãi trên thị trường với nhiều tính năng ưu việt của biến áp áp điện như: hiệu suất cao, mật độ công suất lớn, không có nhiễu điện từ…Mở ra khả năng thay thế các biến áp điện từ truyền thống trong dải công suất vừa và nhỏ.

Biến áp áp điện, một đối tượng làm việc cộng hưởng Vấn đề điều khiển nó đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Nhưng do sự phát triển của khoa học kĩ thuật, đặc biệt là do những yêu cầu mới về khả năng tích hợp, về tính linh hoạt của các ứng dụng của biến áp áp điện, đã dẫn đến yêu cầu về 1 giải pháp phần mềm để thay thế cho phương pháp điều khiển biến áp áp điện bằng phần cứng.

Với yêu cầu của thực tế, nhóm em đã được thày giáo TS ĐỖ MẠNHCƯỜNG, giao cho đề tài: “Nghiên cứu, phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sửdụng biến áp áp điện” Phát triển đề tài này thành đồ án tốt nghiệp, chúng em đã tập

trung giải quyết được các vấn đề cụ thể sau:  Tìm hiểu tổng quan về biến áp áp điện

 Tìm hiểu đặc tính, mô hình của biến áp áp điện và thực hiện mô phỏng  Tìm hiểu về vấn đề đề điều khiển biến áp áp điện,

 Xây dựng thuật toán PLL trên nền của DSP TMS F2812  Thiết kế mạch ứng dụng thực nghiệm

Trong thời gian thực hiện đề tài này, đã có không ít khó khăn như:

thày giáo TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG, nhóm em đã hoàn thành những mục tiêu mà ban

đầu đề ra.

Do tính mới mẻ của đề tài, cùng những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm làm việc nên cho dù chúng em đã cố gắng hết sức, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp quí báu của thày, cô và các bạn.

Hà nội, ngày 01 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Tự Hóa

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN

1.1 Lịch sử ra đời

Từ những năm 1880, hiệu ứng áp điện đã được phát hiện bởi hai anh em Pierre Curie và Jacques Curie khi họ nghiên cứu các vật liệu có cấu trúc tinh thể Hiện tượng này gồm có hai hiệu ứng cụ thể sau:

 Hiệu ứng áp điện thuận: khi tác động một lực cơ học lên một số loại vật liệu tinh thể thì các loại vật liệu này trở nên phân cực về điện Mức độ phân cực tỷ lệ với lực tác động lên nó tuy nhiên không vượt quá một giới hạn nhất định.

 Hiệu ứng áp điện nghịch: khi đặt những loại vật liệu trên trong một điện trường thì chúng bị biến dạng như thể bị tác động bởi một lực cơ học.

Mặc dù được phát hiện sớm như vậy nhưng chỉ có rất ít các ứng dụng dựa trên hiệu ứng thuận hay nghịch được phát triển Những ứng dụng hiếm hoi xuất hiện chủ yếu trong các phòng thí nghiệm để đo áp suất hoặc sạc điện.

Năm 1956, một loại biến áp dựa trên hiệu ứng áp điện được giới thiệu lần đầu tiên bởi C.A Rosen Biến áp này được gọi là biến áp áp điện (Piezoelectric Transformer -PT) Biến áp áp điện được chế tạo dựa trên cả hiệu ứng áp điện nghịch (phía sơ cấp) và hiệu ứng áp điện thuận (phía thứ cấp) Tuy vậy, biến áp áp điện không được quan tâm nghiên cứu nhiều bởi những hạn chế về công nghệ vật liệu, khả năng điều khiển cũng như phạm vi ứng dụng lúc bấy giờ.

Trong những năm 70, biến áp áp điện được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm thương mại, thay cho biến áp điện từ truyền thống Các công ty Mỹ và Nhật Bản như RCA, Motorola, Denki Onkyo Limited và Matsushita sử dụng biến áp áp

cảnh đó, biến áp áp điện đã thu hút được sự chú ý của nhiều công ty công nghệ và các nhà nghiên cứu bằng các ưu điểm nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn Các công ty Nhật Bản như NEC, Tokin, Matsushita dẫn đầu xu thế này Mục tiêu của họ là sử dụng biến áp áp điện thay thế các biến áp điện từ trong các ứng dụng đòi hỏi điện áp cao, công suất vừa và nhỏ Trong đó, ứng dụng tiêu biểu là làm bộ nguồn cho đèn nền CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) của màn hình LCD (laptop, PDA, máy ảnh số,…), hay ballast điện tử cho đèn LED, bộ mồi điện cho đèn HID…

Trong những năm gần đây, ngành công nghệ vật liệu và kỹ thuật điện tử, điều khiển có những bước tiến vượt bậc đã tạo điều kiện để các nhà nghiên cứu, phát triển đưa ra nhiều ứng dụng sử dụng biến áp áp điện Một số ví dụ điển hình như: ballast điện tử đèn cao áp, bộ biến đổi DC/DC, DC/AC, sạc điện cho laptop, điện thoại di động…

So với máy biến áp điện từ truyền thống, biến áp áp điện có một số ưu điểm nổi trội:

 Mật độ công suất lớn  Hiệu suất cao

 Không có tổn hao điện từ  Kích thước, khối lượng nhỏ  Độ cách ly điện áp cao

Tuy vậy, biến áp áp điện cũng có những nhược điểm:

 Có tính cộng hưởng: biến áp áp điện thường chỉ hoạt động hiệu quả ở một hay một vài dải tần số cộng hưởng nhất định.

 Dải công suất thấp  Giá thành cao

 Điều khiển khó khăn

1.2 Cơ sở vật lý của biến áp áp điện

1.2.1 Tính phân cực của vật liệu áp điện

Trong biến áp áp điện, cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp đều được chế tạo từ vật liệu áp

điện như Bari titannat (BaTiO3) hay Chì zirconat titanat (PZT) vì hiệu ứng áp điện

trên những vật liệu này thể hiện mạnh nhất Phía sơ cấp của biến áp áp điện tuân theo hiệu ứng áp điện ngược, phía thứ cấp tuân theo hiệu ứng áp điện ngược Công thức hóa

học chung của các vật liệu áp điện loại này là A B O3 với A là nguyên tố kim loại hóa trị 2 như Bari hay Chì, B là nguyên tố kim loại hóa trị 4 như Titan hay Zirco Cấu trúc tinh thể và theo đó đặc tính của các vật liệu áp điện thay đổi khi nhiệt độ của chúng cao hơn hay thấp hơn một nhiệt độ nhất định gọi là nhiệt độ Curie Hình 1-1 dưới đây cho

thấy sự thay đổi của cấu trúc tinh thể theo nhiệt độ:

Hình 1-1 Cấu trúc phân tử của vật liệu áp điện Cụ thể của sự phụ thuộc này như sau:

 Trên nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở trên nhiệt độ Curie, cấu trúc phân tử của vật liệu có dạng đối xứng hình học với các ion âm và ion dương ở các vị trí đối xứng trong không gian Do đó tinh thể áp điện không có sự phân cực về điện, nói cách khác là trung hòa về điện.

 Dưới nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở dưới ngưỡng nhiệt độ Curie thì cấu trúc tinh thể không còn tính đối xứng, các ion âm và ion dương của phân tử phân bố không đều dẫn tới sự phân cực về điện trong phân tử Mỗi phân tử trở thành một lưỡng cực điện Các lưỡng cực này sắp xếp theo nhiều hướng khác nhau trong không gian.

Các ứng dụng của vật liệu áp điện nói chung và biến áp áp điện nói riêng đều chỉ có thể hoạt động khi khối vật liệu áp điện đã bị phân cực vì chỉ khi đó, các hiệu ứng áp

Hình 1-2 Quá trình phân cực biến áp áp điện.

1.2.2 Sự mất tính phân cực của vật liệu áp điện

Như đã đề cập ở trên, sau khi vật liệu áp điện được phân cực hóa thì tính phân cực của nó vẫn được duy trì kể cả sau khi đã bỏ điện trường đi và chỉ sau khi được phân cực hóa thì các vật liệu áp điện mới được đưa vào ứng dụng Tuy nhiên có một số nguyên nhân có thể dẫn tới mất một phần hoặc hoàn toàn tính phân cực ở vật liệu áp điện và do đó các thiết bị áp điện sẽ bị hỏng Những nguyên nhân đó gồm:

 Nguyên nhân cơ học: khi có một lực cơ học đủ lớn đặt lên khối vật liệu áp điện thì sự sắp xếp có hướng các lưỡng cực điện trong khối vật liệu có thể bị xáo trộn và do đó khối vật liệu bị mất tính chất phân cực điện Giới hạn của lực cơ học gây mất tính phân cực của khối vật liệu rất khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu.

 Nguyên nhân về điện: khi đặt khối vật liệu áp điện đã phân cực hóa trong một điện trường đủ mạnh ngược chiều với điện trường sử dụng để phân cực khối vật liệu thì khối vật liệu có thể bị mất tính phân cực Độ mạnh của điện trường để làm mất sự phân cực của khối vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó phải kể đến là: loại vật liệu, thời gian khối vật liệu bị đặt trong điện trường đó và nhiệt độ

 Nguyên nhân về nhiệt: khi khối vật liệu áp điện đã được phân cực hóa được nung nóng lên tới ngưỡng nhiệt độ Curie của nó thì sự sắp xếp có hướng của các lưỡng cực điện trong khối vật liệu trở nên bị xáo trộn do các phân tử hoạt động mạnh Do vậy để tính phân cực của khối vật liệu được đảm bảo lâu bền và các ứng dụng vật liệu áp điện không bị hỏng thì cần bảo đảm nhiệt độ dưới nhiệt độ Curie Mức nhiệt độ hoạt động lý tưởng của vật liệu áp điện vào khoảng giữa 0oC và ngưỡng nhiệt độ Curie của vật liệu.

1.2.3 Các hằng số áp điện

Vật liệu áp điện là có tính chất dị hướng nên các đại lượng vật lý đặc trưng như tính đàn hồi, hằng số điện môi phụ thuộc vào cả hướng của lực tác dụng và hướng của điện trường Các đại lượng vật lý này trong mối quan hệ với lực và điện trường được chỉ rõ ở phương trình tuyến tính (1.1) và (1.2) sau đây: Trong đó S T E D   ,, , theo thứ tự là véctơ thể hiện độ biến dạng, lực tác dụng, điện trường và độ phân cực của phần tử áp điện.

Ở phương trình (1-1), là véctơ thể hiện độ biến dạng của phần tử áp điện khi có tác dụng của lực căng và điện trường với cường độ lên Khi không có lực căng đặt lên vật liệu thì độ biến dạng S chỉ phụ thuộc vào cường độ điện trường E Lúc này phương trình đặc trưng cho hiệu ứng áp điện nghịch

Tương tự như vậy ở phương trình (1-2), D là véctơ mật độ điện tích thể hiện sự phân cực của vật liệu áp điện khi có tác dụng của lực căng là điện trường với cường độ

trưng cho sự phụ thuộc của độ biến dạng của vật liệu khi có tác động của lực đặt lên nó, ma trận hằng số điện môi đặc trưng cho sự thay đổi mật độ điện tích khi có điện trường ngoài đặt lên nó Ở đây ma trận hằng số áp điện là khái niệm mới đặc trưng cho sự phân cực của vật liệu áp điện khi có lực đặt lên và ngược lại, đặc trưng cho sự biến dạng của vật liệu áp điện khi có điện trường ngoài đặt lên vật liệu.

1.3 Cấu trúc và phân loại máy biến áp áp điện

Nói chung, biến áp áp điện có cấu trúc gồm các phần tử “piezoelectric actuator” hoạt động theo hiệu ứng nghịch ở phía sơ cấp và các phần tử “piezoelectric transducer” hoạt động theo hiệu ứng thuận ở phía thứ cấp Các phần tử này được cấu thành từ các phần tử áp điện Mỗi phần tử áp điện này có cấu trúc gồm hai điện cực và một lớp vật liệu áp điện ở giữa như hình 1-3

Hình 1-3 Phần tử áp điện.

Các phần tử áp điện hoạt động trong máy biến áp áp điện theo một tần số cộng hưởng nhất định (vấn đề về tần số cộng hưởng sẽ được xem xét kĩ hơn ở chương sau) theo hai kiểu cơ bản là:

 Kiểu dao động dọc: Phần tử áp điện hoạt động với véc tơ lực căng T song song với hướng phân cực điện P như hình 1-4:

Hình 1-4 Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc  Kiểu dao động ngang: phần tử áp điện hoạt động với véc tơ lực căng T

vuông góc với hướng của phân cực điện P như hình 1-5:

Hình 1-5 Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang.

Ứng dụng hai kiểu dao động trên của phần tử áp điện, người ta chế tạo được 3 loại biến áp thông dụng:

 Biến áp áp điện kiểu Rosen  Biến áp áp điện kiểu rung bề dày  Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính

1.Máy biến áp áp điện kiểu Rosen

Máy biến áp áp điện loại này có phía sơ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theo

có một mật độ điện tích nhất định xuất hiện trên 2 điện cực Mật độ điện tích này sẽ tạo ra một điện áp Vout ở đầu ra Biến áp áp điện loại này cho ra tỷ lệ tăng áp lớn nhất.

Hình 1-6 Máy biến áp áp điện kiểu Rosen.

2.Máy biến áp áp điện kiểu rung theo chiều dày

Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày được Nhật chế tạo từ những năm 1990 Loại máy biến áp áp điện này được cấu tạo từ các phần tử áp điện kiểu dao động dọc ở cả phía sơ cấp và phía thứ cấp Khi đặt vào phía sơ cấp một điện áp Vin thì phía sơ cấp sẽ phân cực theo phương điện trường Dao động điện của điện áp đặt vào phía sơ cấp sẽ tạo ra các dao động cơ dọc theo vật liệu áp điện phía sơ cấp Dao động cơ này sẽ truyền sang phía thứ cấp Tại đây do có hiệu ứng áp điện thuận, dao động cơ này sẽ biến thành dao động điện và tạo ra điện áp đầu ra bên thứ cấp Phương phân cực và dao động cơ bên sơ cấp và thứ cấp đều cùng phương với với bề dày các lớp vật liệu áp điện Biến áp áp điện kiểu này cho hệ số tăng áp nhỏ nên còn được gọi là LVPT (Low Voltage Piezoelectric Transformer) Do vậy, ứng dụng chủ yếu là làm các bộ biến đổi và sạc điện.

Hình 1-7 Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày.

3.Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính

Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính được công ty FACE Electronics của Mỹ chế tạo từ năm 1998 Loại biến áp này cũng được chế tạo từ hai phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang Khi đặt vào hai điện cực của phía sơ cấp một điện áp Vin, phần tử áp điện phía sơ cấp sẽ được phân cực và phương của phân cực này dọc theo bề dày của khối vật liệu áp điện Do hoạt động theo kiểu ngang nên phân cực điện tạo ra biến dạng cơ học theo hướng vuông góc với điện trường Nếu điện áp đặt vào dao động (dao động điện) thì biến dạng cơ học cũng tạo nên các dao động cơ Các dao động cơ phía sơ cấp truyền sang phía thứ cấp Dao động cơ phía thứ cấp tạo ra điện áp Vout trên hai điện cực của phía thứ cấp

Khi mới được chế tạo thì biến áp loại này có dạng hình chữ nhật nhưng vì nếu thế thì các dao động cơ giữa các điểm không đều do khoảng cách tới tâm không bằng nhau dẫn đến những sóng bậc cao nhiều hơn cho điện áp ra Biến áp áp điện với dạng tròn (hình 1-8) được chế tạo nhằm khắc phục nhược điểm này Ngày nay ứng dụng chủ yếu của loại biến áp này là làm ballast điện tử cho đèn LED, các bộ biến đổi công suất và sạc điện.

Hình 1-8 Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính.

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Chương 2

ĐẶC TÍNH CỦA BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN

2.1 Sơ đồ tương đương của biến áp áp điện

Để khảo sát được các đặc tính hoạt động của biến áp áp điện, ta cần có mô hình lí thuyết của nó để thực hiện mô phỏng Do khó có thể xây dựng mô hình dựa trên lí thuyết về hiện tượng áp điện, vì các mối quan hệ bên trong của vật liệu hết sức phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố Đặc biệt là quá trình chuyển hóa năng lượng điện – cơ Theo [1], biến áp áp điện trên thực tế có thể hoạt động ở 3 tần số cộng hưởng Do vậy, ta đơn giản hóa bằng cách mô hình hóa mỗi tần số cộng hưởng đó bằng 1 mạch điện có điểm

cộng hưởng tại tần số đó Ta sử dụng hình 2-1 là sơ đồ thay thế tương đương ứng với 3

tần số cộng hưởng này Tuy vậy, để đơn giản hóa và giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, đồ án này sẽ xem xét sơ đồ tương đương của biến áp áp điện tại một trong những tần số cộng hưởng của nó mà vẫn đảm bảo được những đặc tính hoạt động chung của biến áp Theo [2], sơ đồ tương đương của biến áp áp điện tại một tần số cộng hưởng được trình bày ở hình 2-2 Theo đó, đầu ra của biến áp áp điện được tách thành hai nguồn phụ thuộc: nguồn áp VCo /n và nguồn dòng ILr /n, Vinvà Voutlà điện áp vào và điện áp ra, Cinvà

C là điện dung của tụ điện đầu vào và đầu ra, Lrvà Crlà điện cảm và điện dung tương

đương, Rm là điện trở đặc trưng cho tổn hao cơ và n là tỷ số truyền cơ Mô hình được xây

dựng dựa trên mối liên hệ giữa các đại lượng cơ học và điện học được trình bày ở bảng sau:

Bảng 2-1 Liên hệ các đại lượng cơ với điện học

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Hình 2-9 Sơ đồ thay thế của biến áp áp điện với 3 tần số cộng hưởng.

Hình 2-10 Sơ đồ thay thế biến áp áp điện tại 1 tần số cộng hưởng.

2.2 Phân tích hoạt động của biến áp áp điện

2.2.1 Hệ số biến áp

Một trong những thông số quan trọng của biến áp nói chung và biến áp áp điện nói riêng là hệ số biến áp Với biến áp điện từ truyền thống, tỷ số này quyết định bởi tỷ số

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Để xác định hệ số biến áp của biến áp áp điện và để đơn giản hơn trong việc tính toán, mô phỏng, nghiên cứu đặc điểm làm việc, ta giả thiết nối một tải thuần trở Ro vào phía thứ cấp của biến áp (hình 2-3).

Hình 2-11 Sơ đồ thay thế máy biến áp áp điện với tải thuần trở.

Dựa vào nguyên tắc cân bằng năng lượng giữa hai phía sơ cấp và thứ cấp, ta có thể qui đổi phía thứ cấp về phía sơ cấp và bỏ qua điện dung đầu vào Cin Sơ đồ mạch như hình 2-4.

Hình 2-12 Sơ đồ qui đổi biến áp áp điện tải thuần trở về phía sơ cấp Các thông số được tính qui đổi như sau:

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Hình 2-13 Sơ đồ thay thế tương đương biến áp áp điện.

Từ sơ đồ thay thế hình 2-4, hình 2-5 và các phương trình (2-1)→(2-5), ta có thể tính được tần số cộng hưởng m của biến áp áp điện:

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

 Hệ số biến áp của biến áp áp điện phụ thuộc vào tần số làm việc và giá trị

tải Với mỗi giá trị tải nhất định thì hệ số này đạt giá trị lớn nhất ở tần số cộng hưởng được tính theo (2-6) và được giới hạn trong dải nhất định (2-7) Trong thực tế, tần số này có thể đạt tới 50 với biến áp áp điện một lớp và tới 1000 với biến áp nhiều lớp [1].

 Với một điện trở tải xác định thì có thể điều chỉnh điện áp trên tải bằng cách thay đổi tần số hoạt động của biến áp.

 Q và Qm tỷ lệ thuận với hệ số biến áp n21 Khi các hệ số này càng lớn thì

điện áp phía thứ cấp của biến áp càng lớn Do vậy các hệ số Q và Qm được gọi là hệ số chất lượng điện và hệ số chất lượng cơ tương ứng.

2.2.2 Công suất đầu ra

Từ hình 2-3 và hình 2-4 và phương trình (2-5) công suất đầu ra của biến áp áp

điện được tính từ công thức:

Công thức (2-16) chỉ ra sự phụ thuộc của công suất đầu ra biến áp áp điện vào điện trở tải và tần số hoạt động Vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể các các phần sau.

Theo [2], tại một tần số hoạt động nhất định công suất đầu ra của biến áp áp điện lớn nhất khi điện trở tải ''0R Rm Thực vậy, để đơn giản xét trường hợp biến áp áp điện làm việc ở tần số cộng hưởng, từ hình 2-5, công suất đầu ra hay công suất trên tải ''0R

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Dấu “=” xảy ra khi: ''0R Rm (Bất đẳng thức Cauchy)

Từ phương trình (2-4), đồ thị của ''0R theo R’ có dạng lồi như hình 2-7 Do vậy,

ứng với mỗi giá trị ''0R sẽ có 2 giá trị 'R0thỏa mãn điều kiện ''0R Rm

2.2.3 Hiệu suất biến áp

Theo tài liệu [2], hiệu suất của biến áp áp điện tính được từ công thức:

 Hiệu suất của mỗi biến áp phụ thuộc vào cả tần số hoạt động và giá trị điện trở tải Vấn đề này sẽ được xem xét kỹ hơn ở các chương sau.

R R thì hiệu suất của biến áp càng lớn Do Rm là hằng số phụ

thuộc biến áp nên hiệu suất đạt được cực đại khi "

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Giá trị này của điện trở tải được gọi là tải tối ưu cho hiệu suất của biến áp áp điện ứng với tần số  (hình 2-7).

Hình 2-15 Điện trở tối ưu.

2.2.4 Mô phỏng đặc tính làm việc

Phần trên ta đã xây dựng được các phương trình thể hiện sự làm việc của biến áp áp điện dựa trên mô hình tương đương mà ta đưa ra Tuy nhiên, để hiểu rõ hơn đặc tính làm việc của biến áp áp điện và kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình, ta sẽ viết chương trình mô phỏng trên nền Matlab để khảo sát và kiểm chứng Sử dụng ưu điểm tính toán mạnh của phần mềm này, trên cơ sở các sơ đồ tương đương và phương trình tính toán, có thể thấy rõ đặc điểm hoạt động của biến áp ở những tần số khác nhau, ứng với các tải trở khác nhau Các thông số biến áp dùng cho mô phỏng lấy từ tài liệu [1]:

Bảng 2-2 Thông số biến áp áp điện.

Chương trình trên MATLAB được trình bày ở phụ lục [1].

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Hình 2-16 Hệ số biến áp.

Hình 2-17 Công suất đầu ra.

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Hình 2-18 Hiệu suất biến áp.

Nhận xét kết quả mô phỏng :

 Hệ số biến áp thay đổi theo tần số hoạt động và giá trị tải

 Ứng với mỗi tải đều có một giá trị tần số mà tại đó hệ số biến áp là cực đại - tần số cộng hưởng của biến áp Giá trị này cũng thay đổi khi tải thay đổi

 Công suất đầu ra biến áp thay đổi theo tần số hoạt động và giá trị tải  Tại tần số cộng hưởng của biến công suất đầu ra biến áp là cực đại

 Hiệu suất làm việc của biến áp khi làm việc với tải của là rất cao, đặc biệt là ở giá trị tải tối ưu.

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Chương 3

NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN

3.1.Các mô hình điều khiển biến áp áp điện 3.1.1 Giới thiệu chung

Bộ biến đổi công suất là 1 phần của hệ thống điện tử công suất nhằm biến đổi tín hiệu điều khiển vào nó thành tín hiệu mong muốn để chuyển tải công suất Trong các ứng dụng thực tế của máy biến áp áp điện thì đa phần mục đích sử dụng của máy biến áp áp điện trong đó là tạo ra các mạch biến đổi điện áp DC/AC với đầu ra có điện áp cao hay các mạch biến đổi DC/DC (thực chất là sự kết hợp giữa mạch DC/AC với chỉnh lưu đầu ra ) Có nhiều mô hình điều khiển thiết kế khác nhau để tạo ra các mạch biến đổi điện áp trên Vì máy biến áp áp điện nói chung được sử dụng nhằm tạo ra các thiết bị ở dải công suất thấp, giá thành rẻ, hiệu suất cao nên các mạch biến đổi phải có cấu trúc đơn giản, sử dụng tối thiểu các phần tử thụ động và van chuyển mạch Thực tế có 2 mô hình thỏa mãn các yêu cầu trên được dùng rộng rãi cho biến áp áp điện:

 Bộ biến đổi lớp D  Bộ biến đổi lớp E

Các đặc điểm cụ thể của hai mô hình điều khiển này sẽ được trình bày chi tiết dưới đây

3.1.2 Sơ đồ điều khiển lớp D

Đây là 1 sơ đồ điều khiển có cấu trúc rất đơn giản chỉ sử dụng hai van công suất S1, S2 (thường sử dụng MOSFET) với đầu vào là nguồn điện áp một chiều Hai van này thay phiên nhau đóng mở, khi van này mở thì van kia đóng và ngược lại Kết quả là điện áp đầu ra có dạng xung vuông với tần số là tần số đóng mở van và độ rộng xung phụ thuộc vào tỷ lệ ton/toff Hình 3-1 là sơ đồ mạch (đã gồm biến áp áp điện)

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Hình 3-19 Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D.

Quy đổi phía thứ cấp của biến áp sang phía sơ cấp (tương tự chương 2), ta được sơ đồ tương đương như hình sau.

Hình 3-20 Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D quy đổi về sơ cấp Nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D được thể hiện qua hình dưới đây:

Hình 3-21 Giản đồ thể hiện nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D.

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Ở hình vẽ trên thì VGS1 và VGS2 là hiệu điện thế giữa cực G và cực S của hai khóa S1, S2 Vin , iin là điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào, i(t) là dòng điện cộng hưởng (dòng iLr trên hình 3-1) chạy trong biến áp Chu kỳ hoạt động của mạch gồm các giai đoạn:

 Từ t0 đến t1: giai đoạn nạp của tụ Cin

 Từ t0 đến t2: thời gian chết (hai khóa S1 và S2 đều không có xung áp vào cực G)

 Từ t2 đến t3: thời gian ON của khóa S1

 Từ t3 đến t4: thời gian phóng của tụ Cin

 Từ t0 đến t5: thời gian chết

Dòng điện cộng hưởng i(t) được biểu diễn bởi công thức 3.1 dưới đây:

Với Im và là biên độ và pha ban đầu của dòng điện cộng hưởng i(t) Sau khi khóa S2 chuyển sang trạng thái OFF tại thời điểm t0 thì dòng điện này không chạy qua S2

nữa mà chạy qua tụ điện Cin và tụ điện Cin được nạp trong thời gian từ t0 đến t1, vì qui ước về chiều khác nhau nên dòng nạp cho tụ Cin trong thời điểm này là:

Điện áp tụ Cin trong giai đoạn này sẽ tăng cho tới khi vượt quá điện áp một chiều của nguồn một chiều Khi đó diode mắc song song ngược với S1 (không thể hiện trên hình vẽ) sẽ dẫn và đưa điện áp trên S1 về 0 Diode song song ngược này dẫn dòng trong thời gian rất ngắn t1 đến t2 Tại t2 thì S1 được phát xung ở cực G và chuyển lên trạng thái ON sau đó tại t3 thì chuyển về trạng thái OFF Trong khoảng thời gian t3 đến t4 thì hai khóa S1 và S2 đều ở trạng thái OFF vì thế cho nên tụ Cin phóng điện và dòng phóng lúc này cũng chính là dòng cộng hưởng i(t) Do vậy nên điện áp đầu vào Vin hay cũng chính

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Để đảm bảo mạch hoạt động theo điều kiện đóng cắt ZVS thì hai điều kiện sau đây phải thỏa mãn:

Hình 3-22 Quan hệ giữa dòng điện cộng hưởng irL và điện áp Vin.

 Điều kiện về điện áp ngưỡng của tụ đầu vào Cin: Khi mà điện cảm Lr nạp tụ Cin như ở hình 3-4 thì điện tích của tụ đầu vào Cin được phóng nạp bởi dòng điện cộng hưởng iLr được tính là: dQ C dV i dt in rL với dV là biến thiên điện áp trên tụ Cin và dt là thời gian phóng nạp của tụ Để hoạt động ở chế độ ZVS thì giá trị lớn nhất của điện áp tụ Cin phải thỏa mãn: Vin peak VDC, và trong mỗi chu kì hoạt động thì tụ Cin phải được phóng nạp hoàn toàn.

 Điều kiện về thời gian chết giữa S1 và S2: để có đủ thời gian cho cuộn cảm Lr nạp điện hay tụ Cin phóng điện thì thời gian trễ td phải lớn hơn hay bằng thời gian phóng hay nạp Theo [5] thì thời gian td được chọn theo điều kiện: 1

t  T với T là chu kì hoạt động

Với sơ đồ điều khiển lớp D, có hai cấu hình thường sử dụng:  Sơ đồ không có lọc đầu vào

 Sơ đồ có lọc đầu vào Tác dụng của lọc đầu vào:

 Giảm thiểu sóng hài bậc cao cho đầu vào biến áp áp điện  Cải thiện hiệu suất và điều kiện làm việc cho toàn bộ biến đổi  Mở rộng dải làm việc đảm bảo ZVS khi tải biến thiên

 Giảm tổn hao do nhiễu điện từ EMI

Dựa vào những phân tích trên, hoạt động của biến áp áp điện cấp nguồn bởi bộ biến đổi lớp D sử dụng cấu hình không có lọc đầu vào được mô phỏng bằng phần mềm

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Matlab/Simulink Tần số hoạt động nằm gần tần số cộng hưởng của biến áp với độ rộng xung được giữ cố định 40% Thông số biến áp được cho trong bảng 3-1 [1]:

Bảng 3-1 Thông số biến áp áp điện.

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Hình 3-23 Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp D.

Hình 3-24 Tần số 95kHz (ngoài dải cộng hưởng).

Trong đó: Vgs1, Vgs2 lần lượt là xung phát vào cực G của hai van S1, S2 Vin là điện áp vào biến áp áp điện hay là điện áp trên tụ Cin I(t) là dòng chạy vào biến áp (dòng cộng hưởng).

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Hình 3-25 Tần số 97kHz (trong dải cộng hưởng).

Nhận xét:

 Khi hoạt động ở ngoài dải tần cộng hưởng, các van S1, S2 được mở khi điện áp trên van chưa về 0 (không đảm bảo ZVS) Theo [3], hệ quả này dẫn đến tổn hao trên van và tổn hao trên biến áp lớn, nhiệt độ tăng, hiệu suất biến áp giảm

 Khi hoạt động ở trong dải tần cộng hưởng, các van S1, S2 được mở khi điện áp trên van đã về 0 hoặc nhỏ (đảm bảo điều kiện ZVS) Nhờ vậy, tổn hao trên van và tổn hao trên biến áp áp điện nhỏ, hiệu suất biến áp tăng lên

 Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp đầu vào (hình 3-8)

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

3.1.3 Sơ đồ điều khiển lớp E

Mạch nguyên lý của sơ đồ điều khiển lớp E được cho như hình 3-9 Mạch chỉ gồm một van công suất S (MOSFET) với một diode mắc song song ngược Van S phối hợp với mạch tương đương của biến áp áp điện tạo thành bộ biến đổi lớp E Nhờ vậy, điện áp đầu ra của bộ biến đổi có dạng hình sin đồng thời tạo điều kiện ZVS cho van S.

Hình 3-27 Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp E.

Trong mạch nguyên lý trên, điện cảm đầu vào Lf có giá trị lớn để hạn chế dòng đỉnh đầu vào và đảm bảo dòng cộng hưởng chạy qua mạch cộng hưởng (hay biến áp áp điện) là hình sin

Khi khóa S chuyển sang trạng thái OFF, điện áp trên Cin phóng qua mạch RLC của biến áp Sau khi xả hết, điện áp trên tụ điện Cin trở về 0, cũng là điện áp trên van S Lúc này, diode song song với van bắt đầu dẫn dòng điện chạy qua Nếu van S được mở vào giai đoạn này thì tổn hao trên van sẽ không đáng kể (điều kiện ZVS) Quá trình được mô tả trên hình 3-10.

Theo hình 3-9, hiệu suất lớn nhất của biến áp áp điện đạt được khi độ lệch pha giữa điện áp đầu vào Uin và dòng chạy qua nhánh RLC bằng 0 Nói cách khác, điểm hoạt động cộng hưởng hoạt động của bộ biến đổi lớp E này phụ thuộc vào sự thay đổi của tải.

Hoạt động của bộ biến đổi lớp E được mô phỏng bằng sơ đồ hình 3-11 Độ rộng xung vào cực G của van S là 50% Điện áp vào cấp VDC=5V Tần số: 97kHz.

Các thông số biến áp đã cho trong bảng 3-1

Điện cảm và giá trị tải:Lf 5mH R, L 65k ( 3-0)

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Hình 3-28 Mô tả hoạt động bộ biến đổi lớp E.

Hình 3-29 Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp E.

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Hình 3-30 Kết quả mô phỏng.

Trong đó, Vout là điện áp đầu ra (điện áp trên tải), Vgs là xung phát vào cực G của van S, Vin và Iin lần lượt là điện áp và dòng điện đầu vào của biến áp áp điện.

Nhận xét:

 Van và đầu vào sơ cấp biến áp phải chịu điện áp cao hơn nhiều so với sơ đồ bộ biến đổi lớp D Điều này dẫn đến tổn hao trên van lớn, giảm hiệu suất thậm chí có thể gây hỏng biến áp Thêm nữa, theo [7], điều kiện mở van ZVS cũng bị thu hẹp lại.

 Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp nguồn đầu vào bộ biến đổi lớp E (hình 3-13) Quá trình tăng nhiệt độ đối với bộ biến đổi này cũng nhanh hơn bộ biến đổi lớp D.

Hình 3-31 Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động[1].

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

3.2 Thuật toán điều khiển bám tần số cộng hưởng

Về nguyên lí, biến áp áp điện được sử dụng với mục đích biến đổi điện áp Như vậy việc điều khiển biến áp áp điện cần đáp ứng được hai yêu cầu chính sau:

 Đảm bảo hiệu suất biến đổi  Đảm bảo chất lượng đầu ra

Theo kết quả phân tích ở chương 2, để đảm bảo yêu cầu thứ nhất thì biến áp áp điện cần được hoạt động tại một trong số những tần số cộng hưởng của nó Tuy nhiên tần số cộng hưởng của biến áp áp điện lại phụ thuộc nhiều yếu tố:

 Sự thay đổi của tải

 Sự thay đổi của điều kiện làm việc: nhiệt độ, thời gian hoạt động…

Với yêu cầu thứ hai, thì tùy vào ứng dụng mà biến áp áp điện được sử dụng thì sẽ có những yêu cầu khác nhau Nhưng nói chung, trong các ứng dụng làm nguồn công suất, yêu cầu điều khiển được độ lớn điện áp ra là quan trọng nhất.

Tuy nhiên, trong phạm vi nội dung đồ án này, ta chỉ xem xét tới vấn đề đảm bảo được yêu cầu điều khiển biến áp áp làm việc ở tần số cộng hưởng.

Với các đối tượng cộng hưởng nói chung, đều yêu cầu làm việc tại điểm cộng hưởng hoặc ở lân cận điểm cộng hưởng Riêng với biến áp áp điện, làm việc cộng hưởng đem lại nhiều ưu điểm:

 Hiệu suất làm việc của biến áp áp điện là cao nhất  Hệ số tăng áp là lớn nhất

 Giảm tổn hao, hạn chế quá trình tăng nhiệt độ, tăng tuổi thọ của biến áp  Hệ thống làm ổn định, và tin cậy nhất…

Đặc điểm của hệ thống khi làm việc tại điểm cộng hưởng là khi đó sai lệch về pha giữa tín hiệu áp và dòng của đầu vào biến áp áp điện bằng 0 Đó là đặc điểm để nhận biết

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Với phương pháp tự dao động, hệ thống cộng hưởng sẽ tự hoạt động mà không cần thêm một bộ điều khiển nào cả[12].

Thật vậy, ta hay xét 1 hệ thống gồm biến áp áp điện, bộ biến đổi và tải và nguồn cấp khi ta đưa 1 xung kích thích với 1 tần số bất kì trong 1 thời gian ngắn vào để hệ thống hoạt động thì sau khi ngừng kích thích biến áp áp điện sẽ tiếp tục dao động và cho ra điện áp với tần số tại tần số dao động riêng của nó (chính là tần số cộng hưởng) Ta chỉ việc lấy tín hiệu lấy từ dòng đầu ra đưa về điều khiển bộ biến đổi thì hệ thống sẽ làm việc tại tần số cộng hưởng đó.

Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện trong những ứng dụng của biến áp áp điện.

Tuy nhiên, nó có nhiều nhược điểm như:

 Điểm làm việc dễ bị nhiễu làm cho dịch chuyển  Chỉ đảm bảo được việc bám tần số cộng hưởng.

 Hệ tự dao động là hệ kín, khó can thiệp để đảm bảo những yêu cầu chất lượng khác.

Trong các ứng dụng thực tế của biến áp áp điện thì phương pháp sử dụng PLL được ưa chuộng hơn do những ưu điểm của thuật toán PLL:

 Hoạt động ổn định, tin cậy  Khả năng tích hợp cao.

 Ngoài yêu cầu về đảm bảo bám tần số cộng hưởng còn có thể kết hợp đảm bảo nhiều yêu cầu khác trong việc điều khiển biến áp áp điện.

Ngoài ra, với mong muốn đưa biến áp áp điện vào ứng dụng trong các hệ thống công nghệ cao như: ôtô, nhà thông minh…thì việc tạo khả năng tích hợp cao cho các ứng dụng của biến áp áp điện là rất quan trọng Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ vi xử lí, lí thuyết điều khiển thì việc sử dụng 1 chíp duy nhất để điều khiển biến áp áp điện và tạo khả năng tích hợp cao cho ứng dụng của biến áp áp điện là hoàn toàn khả thi.

Trong phạm vi nội dung của đồ án, ta sẽ thiết kế ứng dụng thuật toán PLL để điều khiển biến áp áp điện sử dụng chip DSP TMS320F2812 Và phần này sẽ trình bày về cơ sở lí thuyết để thiết kế 1 bộ Software like Digital Phase locked loop (SDPLL)

Toàn bộ phần lí thuyết và thiết kế PLL tham khảo tài liệu [11].

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Hình 3-32.Sơ đồ cấu trúc điều khiển biến áp áp điện bằng PLL.

Thực chất thuật toán phần mềm SDPLL chính là mô tả lại bằng phần mềm chức năng tính toán của các khối trong bộ DPLL Vì vậy, trước khi đi đến thực hiện thuật toán ta hãy tìm hiểu về các khối chức năng trong bộ DPLL.

3.2.1 Cấu trúc của DPLL

Hình 3-33 Cấu trúc tổng quát của DPLL Đây là sơ đồ cấu trúc của 1 bộ DPLL, gồm 3 phần chính:

 Bộ phát hiện sai lệch pha DIGITAL PD (digital phase detector) Bộ lọc thông thấp ANALOG LF (analog lowpass filter)

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

a.Khối Phase Detector

Để thực hiện chức năng của bộ Digital PD, người ta thường sử dụng 1 trong các loại sau:

 EXOR phase detector

Hình 3-34 Sơ đồ nguyên lí của EXOR Phase Detector  Làm việc với tín hiệu mức U1 và U2’.

 Chỉ có thể thực hiện đồng bộ pha cho U1 và U2’.

 Đòi hỏi bộ lọc cần xử lí tín hiệu đầu vào khá phức tạp.

 Dải “tracking” của bộ DPLL loại này là khi sai lệch pha nằm trong khoảng:

 JK- flipflop phase detector

Hình 3-35 Sơ đồ nguyên lí của JK-FlipFlop Phase Detector  Làm việc với sườn của các tín hiệu vào.

 Chỉ có thể thực hiện đồng bộ pha cho U1 và U2’.

 Đòi hỏi bộ lọc cần xử lí tín hiệu đầu vào khá phức tạp.

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

 Dải “tracking” của bộ DPLL loại này là khi sai lệch pha nằm trong khoảng:

   

 Phase frequency detector

Trong phạm vi đồ án, sẽ sử dụng loại PD này nên ta sẽ trình bày chi tiết đặc điểm của nó để sử dụng trong các phần sau:

Hình 3-36 Sơ đồ nguyên lí của PFD Phase Detector Hoạt động của PFD được minh họa bởi sơ đồ chuyển trạng thái sau:

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

- Sườn dương của U2 sẽ làm đầu ra của PFD chuyển xuống trạng thái thấp hơn hoặc không thay đổi trạng thái nếu nó đang ở trạng thái -1.

Khi

 

Dưới đây là minh họa cho 3 trường hợp hoạt động điển hình của PFD:

Tín hiệu ra của PFD là Ud , giá trị trung bình của nó là Ud

 Trường hợp 1: Khi hai tín hiệu cùng pha ( e0):

Khi hai tín hiệu giống hệt về pha, tại cùng 1 thời điểm cả hai đầu vào sẽ có sườn dương, tín hiệu ra của PFD sẽ giữ nguyên mãi mãi (giả sử rằng ban đầu, đầu ra của PFD là 0) nên Ud=0

Hình 3-38 Đầu ra của PFD khi 12 và  e0.

 Trường hợp 2: Khi U1 sớm pha hơn U2 ( e0):

Trường hợp này U1 sẽ có sườn lên trước U2, như vậy đầu ra sẽ chuyển giữa 2 trạng thái 0 và +1 nên Ud 0

Hình 3-39 Đầu ra của PFD khi 12 và e 0.

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

 Trường hợp 3: Khi U1 trễ pha hơn U2 (e 0):

Trường hợp này U1 sẽ có sườn lên sau U2, như vậy đầu ra sẽ chuyển giữa 2 trạng thái 0 và -1 nên Ud 0

Hình 3-40 Đầu ra của PFD khi 12 và e0 Khi

  thì U1 sẽ tạo nhiều sườn lên hơn Theo sơ đồ chuyển trạng thái của

PFD ta sẽ thấy Ud chỉ chuyển trạng thái giữa 0 và +1 nên Ud 0

Tương tự, khi

  thì U1 sẽ tạo ít sườn lên hơn Theo sơ đồ chuyển trạng thái

của PFD ta sẽ thấy Ud chỉ chuyển trạng thái giữa 0 và -1 nên Ud 0

Như vậy, trạng thái của đầu ra PFD phụ thuộc không chỉ vào sai lệch pha khi đồng bộ tần số mà còn phụ thuộc tuyến tính vào sai lệch tần số Chính khả năng phát hiện sai lệch cả pha và tần số của hai tín hiệu nên nó mới có tên là PFD.

b.Khối Loop Filter

Các dạng bộ lọc hay đựơc dùng gồm 3 loại:  Bộ lọc thông thấp thụ động: